(57)【要約】【課題】簡単な構成で、低い製造コストで製造できる高精度の三次元座標測定機の実現。【解決手段】支持部材70と、移動部材50と、支持部材に設けられ、移動部材を上下方向に移動する移動機構と、を有する鉛直方向移動装置であって、移動機構は、駆動プーリー71と、受動プーリー72と、バランスシリンダ74と、一端が移動部材に接続され、受動プーリーおよび駆動プーリーを介して、他端がバランスシリンダのシリンダキャリッジ75に接続されたオープン駆動ベルト73と、を有し、駆動プーリーと受動プーリーは、駆動プーリーと受動プーリーの間で、オープン駆動ベルトが支持部材の図心に位置するように配置されている。【選択図】図３
2013221825.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持部材と、
前記支持部材に対して移動する移動部材と、
前記支持部材に設けられ、前記移動部材を上下方向に移動する移動機構と、を備える鉛直方向移動装置であって、
前記移動機構は、
前記支持部材に固定された駆動プーリーと、
前記支持部材に固定された受動プーリーと、
バランスシリンダと、
一端が前記移動部材に接続され、前記受動プーリーおよび前記駆動プーリーを介して、他端が前記バランスシリンダのシリンダキャリッジに接続されたオープン駆動ベルトと、を備え、
前記駆動プーリーと前記受動プーリーは、前記駆動プーリーと前記受動プーリーの間で、前記オープン駆動ベルトが前記支持部材の図心に位置するように配置されていることを特徴とする鉛直方向移動装置。
【請求項２】
ベースと、
前記ベースに設けられた第１の軸移動機構と、
前記第１の軸移動機構により移動する第１移動部に設けられた第２の軸移動機構と、
前記第２の軸移動機構により移動する第２移動部に設けられた第３の軸移動機構と、を備え、
前記第３の軸移動機構は、請求項１記載の鉛直方向移動装置であることを特徴とする三次元座標測定機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉛直方向移動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
物体の外形の座標を測定するために三次元座標測定機が使用される。三次元座標測定機は、ベース上に、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の直交する３軸方向に移動する移動機構を順次構成し、最終段の３軸方向に移動可能な部材（第３移動部）に変位量測定器を設け、変位量測定器のプローブを物体の外形に接触させた時の変位量と、その時の３軸方向の座標値を合わせて、物体の表面位置座標を算出する。各移動機構による移動位置座標は、測定する座標の基礎であり、移動座標について高精度であることが要求される。
【０００３】
図１は、三次元座標測定機の移動機構の構成例を示す図である。図１に示すように、三次元座標測定機は、合成大理石等の石定盤で作られたベース１１と、ベース１１の対向する辺に設けられた２個のＹコラム２１Ａおよび２１Ｂと、Ｙコラム２１ＡおよびＹコラム２１Ｂ上に平行に設けられた２本のＹ軸レール２２Ａおよび２２Ｂと、２本のレール２２Ａおよび２２Ｂを移動するＹ移動部３１と、Ｙ移動部３１上に平行に設けられた２本のＸ軸レール３２Ａおよび３２Ｂと、Ｘ軸レール３２Ａおよび３２Ｂ上を移動するＸ移動部４０と、Ｘ移動部４０に固定された垂直方向に伸びるＺコラム４１と、Ｚコラム４１上に平行に設けられた２本のＺ軸レール４２Ａおよび４２Ｂと、Ｚ軸レール４２Ａおよび４２Ｂ上を移動するＺ移動部５０と、を有する。Ｚ移動部５０には、変位測定器５１が取り付けられ、変位測定器５１の測定プローブを被測定物の表面に接触させる。すなわち、Ｚコラム４１と、Ｚ軸レール４２Ａおよび４２Ｂと、Ｚ移動部５０と、がＺ軸移動機構を構成する。Ｚ軸は鉛直方向（重力方向）であり、この場合のＺ軸移動機構は、鉛直方向移動装置に相当する。
【０００４】
三次元座標測定機の各軸の移動機構は、リニアガイド等を用いて実現され、駆動点と摩擦点を同一、もしくは近接させ、移動部材の姿勢変化を極小にするのが一般的である。しかし、この駆動方式では、ボールネジ等に、動力源の振動が伝達され、移動位置の誤差、すなわち測定誤差を生じる。動力源の振動伝達を低減する駆動方式として、駆動ベルトを用いる駆動方式がある。
【０００５】
図２は、クローズベルトを使用したＺ軸用の駆動装置の構成例を示す図である。
図２に示すように、この駆動装置は、ベース４０と、ベース４０上に設けられた支持部材６０と、支持部材６０に設けられた駆動機構により上下方向に移動するキャリッジ５０と、を有する。図１と図２の関係では、支持部材６０がＺコラム４１に、キャリッジ５０がＺ移動部５０に、それぞれ対応する。駆動機構は、支持部材６０に固定された駆動プーリー６１と、支持部材６０に固定された受動プーリー６２と、駆動プーリー６１と受動プーリー６２の間に掛けられた駆動ベルト６３と、駆動ベルト６３に取り付けられた移動部６４と、支持部材６０に固定されたガイドレール６５と、ガイドレール６５に沿って移動すると共に移動部６４に係止された移動ユニット６６と、を有する。キャリッジ５０は、取り付け部材６７を介して移動ユニット６６に取り付けられる。図示していないモーター等の駆動源により駆動プーリー６１を一方に回転するとキャリッジ５０が上昇し、他方に回転するとキャリッジ５０が下降する。
【０００６】
しかし、図２に示した駆動ベルトを用いる駆動方式では、駆動点と摩擦点にオフセットが必要になり、言い換えれば、駆動プーリー６１の横方向の位置と、ガイドレール６５と移動ユニット６６の接触部分の間の横方向の位置が異なり、そのために移動機構であるガイドレール６５の姿勢に変化が発生し、測定誤差を生じる。
【０００７】
さらに、図２に示すように、クローズベルトを使用する場合、Ｚ軸を上昇させる場合と下降させる場合とで、駆動時の摩擦の方向に差があってテンションが変化し、駆動ベルトを保持しているプーリーにかかる力が変化して支持部材の構造体が変形し、Ｚ軸の運動誤差に違いが発生し、設置したプローブの姿勢が変化して測定誤差を生じる。
【０００８】
そこで、高精度の移動機構を実現する場合には、エアーベアリングなどの摩擦力のほとんど無いガイド機構を使用し、Ｚ軸の支持部材を高い剛性を有する構造体で形成していた。そのため、移動機構が高コストで、ランニングコストも高かった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１２−００２７１５号公報
【特許文献２】特開２０１２−０４２２６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
以上のような理由で、高精度のＺ軸移動装置（鉛直移動装置）を低コストで実現することが求められていた。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため、本発明の鉛直方向移動装置は、２個のプーリーとオープンベルトを使用し、駆動ベルトの２個のプーリーの間の部分が、支持部材の図心に一致するように構成する。
【００１２】
すなわち、本発明の鉛直方向移動装置は、支持部材と、前記支持部材に対して移動する移動部材と、前記支持部材に設けられ、前記移動部材を上下方向に移動する移動機構と、を備える鉛直方向移動装置であって、前記移動機構は、前記支持部材に固定された駆動プーリーと、前記支持部材に固定された受動プーリーと、バランスシリンダと、一端が前記移動部材に接続され、前記受動プーリーおよび前記駆動プーリーを介して、他端が前記バランスシリンダのシリンダキャリッジに接続されたオープン駆動ベルトと、を備え、前記駆動プーリーと前記受動プーリーは、前記駆動プーリーと前記受動プーリーの間で、前記オープン駆動ベルトが前記支持部材の図心に位置するように配置されていることを特徴とする。
【００１３】
本発明の鉛直方向移動装置では、オープン駆動ベルトが使用され、駆動時には、主として駆動プーリーと受動プーリーの間に力が作用するが、この部分は支持部材の図心と一致しているため、支持部材のたわみが発生しにくく、テンションの方向が変化しても支持部材の姿勢がほとんど変化しない。これにより、低振動で高精度の移動機構を、低コストで実現できる。
【００１４】
本発明の鉛直方向移動装置を、三次元座標測定機のＺ軸移動機構に適用することで、高精度の三次元座標測定機を低コストで実現できる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、高精度の三次元座標測定機を、簡単な構成で、低い製造コストで実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、三次元座標測定機の移動機構の構成例を示す図である。
【図２】図２は、クローズベルトを使用したＺ軸用の駆動装置の構成例を示す図である。
【図３】図３は、実施形態の鉛直方向移動装置の構成を示す図である。
【図４】図４は、実施形態の鉛直方向移動装置の動作時に発生する応力を説明する図である。
【図５】図５は、片持ちのはりのたわみの発生を示す図である。
【図６】図６は、応力Ｍｂを説明する図である。
【図７】図７は、応力Ｍｄを説明する図である。
【図８】図８は、図８は、実施形態の鉛直方向移動装置において、たわみによりリニアガイドの姿勢がＴｙ変化した場合であって、キャリッジのＺ方向の位置が変化した場合のＹ軸方向の誤差δｚＴｙの変化を示す図である。
【図９】図９は、参考例において、たわみによりリニアガイドの姿勢がＴｙ変化した場合であって、キャリッジのＺ方向の位置が変化した場合のＹ軸方向の誤差δｚＴｙの変化を示す図である。
【図１０】図１０は、別の参考例において、たわみによりリニアガイドの姿勢がＴｙ変化した場合であって、キャリッジのＺ方向の位置が変化した場合のＹ軸方向の誤差δｚＴｙの変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図３は、実施形態の鉛直方向移動装置の構成を示す図である。
図３に示すように、実施形態の鉛直方向移動装置は、ベース４０と、ベース４０上に設けられた支持部材７０と、支持部材７０に設けられた駆動機構により上下方向に移動するキャリッジ５０と、を有する。
【００１８】
実施形態において支持部材７０に設けられた駆動機構は、支持部材７０に固定された駆動プーリー７１と、支持部材７０に固定された受動プーリー７２と、バランスシリンダ７４と、支持部材７０に固定されたガイドレール７６と、ガイドレール７６に沿って移動する移動ユニット７７と、一端が移動ユニット７７に接続され、受動プーリー７２および駆動プーリー７１を介して、他端がバランスシリンダ７４のシリンダキャリッジ７５に接続されたオープン駆動ベルト７３と、を有する。キャリッジ５０は、取り付け部材７８を介して移動ユニット７７に取り付けられる。図示していないモーター等の駆動源により駆動プーリー７１を一方に回転するとキャリッジ５０が上昇し、他方に回転するとキャリッジ５０が下降する。なお、駆動ベルト７３の一端は、取り付け部材７８に接続することも可能である。駆動ベルト７３の一端と移動ユニット７７または取り付け部材７８との接続点は、ガイドレール７６の摩擦面のできるだけ近くに配置することが望ましい。
【００１９】
オープン駆動ベルト７３は、例えば、スチールベルトや、タイミングベルトである。駆動プーリー７１および受動プーリー７２は、駆動プーリー７１と受動プーリー７２の間で、駆動ベルト７３が支持部材７０の図心Ｘに位置するように配置されている。
【００２０】
図３において、支持部材７０の左側と右側の重量が等しくなる紙面に垂直な平面が存在する。これが図心Ｘである。駆動ベルト７３は、駆動プーリー７１と受動プーリー７２の間で、支持部材７０の図心Ｘに完全に一致していることが望ましいが、ある程度の範囲であれば一致していると称するものとする。
【００２１】
なお、図３の紙面に垂直な方向についても、支持部材７０の前側と後ろ側の重量が等しくなる紙面に平行な平面が存在する。これも図心であり、この図心が駆動ベルト７３の幅の中心に一致することが望ましく、少なくとも図心が駆動ベルト７３の幅内に存在する。
【００２２】
図４は、実施形態の鉛直方向移動装置の動作時に発生する応力を説明する図であり、（Ａ）がＺ軸、すなわちキャリッジ５０の上昇する場合を、（Ｂ）がＺ軸、すなわちキャリッジ５０の下降する場合を、示す。
【００２３】
実施形態の鉛直方向移動装置では、上昇の場合も下降の場合も、支持部材７０には、Ｍｂ、Ｍｄ、Ｍｃｙの３つの応力が発生する。図４の（Ａ）に示すように、上昇の場合には、ＭｂおよびＭｄは圧縮力、Ｍｃｙは引張力である。図４の（Ｂ）に示すように、下降の場合には、ＭｂおよびＭｄは引張力、Ｍｃｙは圧縮力である。ここでは、実際の構成から、キャリッジ５０の重量が７ｋｇで７ｋｇｆの力がかかっており、リニアガイドは摩擦のために移動時に１ｋｇｆの力を要し、バランスシリンダ７４には７ｋｇｆの上昇力が印加されており、シリンダキャリッジ７５は摩擦のために移動時に２ｋｇｆの力を要するとして示している。
【００２４】
応力Ｍｃｙは、支持部材の下端（駆動プーリー７１およびバランスシリンダ７４の下端の片持ち支持）により力を受けるので、指示部材のたわみには影響しない。したがって、応力ＭｂおよびＭｄについてのみ考える。
【００２５】
図５は、広く知られた片持ちのはりのたわみの発生を示す図であり、（Ａ）がはりの端に力を加える場合を、（Ｂ）がはりの途中に力を加える場合を示し、図示のようなたわみｖが発生する。ここで、Ｍ０は曲げモーメント、Ｅは縦弾性係数、Ｉは断面二次モーメントである。この式については広く知られているので説明は省略する。
【００２６】
図６は、図４の応力Ｍｂを説明する図であり、（Ａ）が上昇時および下降時に発生する応力による変形を示し、（Ｂ）が上昇時の摩擦点を示す。
図６の（Ａ）に示すように、上昇時には、支持部材７０の右側の端（ガイドレール７６の部分）の上部にＦ’の力が印加され、Ｍ０’のモーメントが発生し、支持部材７０にたわみｖ１＝（Ｍ０’／（２ＥＩ）＊（ｘ−ｌ）２が生じる。同様に、上昇時には、支持部材７０の右側の端（ガイドレール７６の部分）の下部にＦの力が印加され、Ｍ０（＝−Ｍ０’）のモーメントが発生し、支持部材７０にたわみｖ２＝（Ｍ０／（２ＥＩ）＊（（ｘ−ｌ１）２＋ｌ２（ｌ＋ｌ１−２ｘ）が生じる。ｌ１＝ｘ、ｌ２＝ｌ−ｘのとき、ｖ１−ｖ２＝０となる。
【００２７】
支持部材７０の印加されたＦより下の領域は変形しないので、変形は、ｖ１＝（Ｍ０’／（２ＥＩ）＊（ｘ−ｌ）２のみを問題にすればよい。図６の（Ｂ）に示すように、ｘ−ｌは、２個のリニアガイドの配置距離の半分（実施形態では６０ｍｍとした）であるから一定であり、図心ｘから支持部材７０の右側の端までの距離ｅを用いて、Ｍ０’＝Ｆ＊ｅである。これから、Ｍｂの応力による支持部材７０の反りは、２個のリニアガイドの配置距離の半分の２乗に比例し、摩擦力と図心からの距離に比例することが分かる。
【００２８】
実施形態の鉛直方向移動装置では、２個のリニアガイドの配置距離を最小寸法になるように設計し、影響を最小化した。
【００２９】
さらに、実施形態の鉛直方向移動装置では、Ｚ軸は重力方向であるため、落下防止機構が必要である。これまで、リニアガイドの摩擦力でＺ移動部５０の落下を支えていたが、その場合安全率を考慮すると、Ｚ移動部５０の質量の数倍（例えば３倍）の摩擦力が必要であり、Ｚ移動部５０の質量を７ｋｇとすると７ｋｇｆ×３＝２１ｋｇｆの摩擦力としていた。
【００３０】
これに対して、実施形態では、バランスシリンダ７４が落下防止のカウンターシリンダとして機能することで、リニアガイドの摩擦力を小さくした。例えば、リニアガイドの摩擦力が１ｋｇｆで、バランスシリンダ７４の摩擦力が２ｋｇｆであり、合計で３ｋｇｆの摩擦力とした。
【００３１】
更に、実施形態では、図心Ｘからのリニアガイド（ガイドレール７６と移動ユニット７７の接合部）までの距離を最小寸法になるように設計して、影響を最小化した。
【００３２】
図７は、Ｍｄの応力を説明する図である。
Ｍｄの応力による変形は、図５の（Ａ）からｖ＝（Ｍ０／（２ＥＩ））＊（ｘ−ｌ）２であり、Ｍ０’＝Ｆ＊ｅ（摩擦力×図心からの距離）であり、ｅ＝０のとき、Ｍ０＝０のため、ｖ＝０である。よって、図心に駆動ベルトを配置することで、変形は生じない。
【００３３】
図８は、実施形態の鉛直方向移動装置において、たわみによりリニアガイドの姿勢がＴｙ変化した場合であって、キャリッジ５０のＺ方向の位置が変化した場合のＹ軸方向の誤差δｚＴｙの変化を示す図であり、（Ａ）は駆動ベルトにかかる力を、（Ｂ）はＺ移動位置が変化したときのＹ軸方向の誤差δｚＴｙを、上昇時と下降時について示した図である。ここで、バランスシリンダ７４とシリンダキャリッジ７５の摩擦力を２ｋｇｆとし、リニアガイドの摩擦力を１ｋｇｆとしている。
【００３４】
図８の（Ａ）に示すように、駆動ベルト７３は、駆動プーリー７１と受動プーリー７１の間で、図心Ｘに位置している。この場合、図８の（Ｂ）に示すように、キャリッジ５０のＺ方向の位置にかかわらず、δｚＴｙは、上昇時も下降時も、ほぼゼロである。
【００３５】
図９は、参考例におけるキャリッジ５０のＺ方向の位置が変化した場合のＹ軸方向の誤差δｚＴｙの変化を示す図である。この参考例は、実施形態の鉛直方向移動装置と同様の構成であるが、駆動ベルト７３が、駆動プーリー７１と受動プーリー７２の間で、支持部材７０の図心Ｘから２０ｍｍ変位している場合である。図８と同様に、図９の（Ａ）は駆動ベルトにかかる力を、図９の（Ｂ）はＺ移動位置が変化したときのＹ軸方向の誤差δｚＴｙを、上昇時と下降時について示した図である。この場合も、バランスシリンダ７４とシリンダキャリッジ７５の摩擦力を２ｋｇｆとし、リニアガイドの摩擦力を１ｋｇｆとしている。
【００３６】
図９の（Ａ）に示すように、駆動ベルト７３は、駆動プーリー７１と受動プーリー７１の間で、図心Ｘから２０ｍｍ変位しており、図９の（Ｂ）に示すように、キャリッジ５０がＺ方向の０ｍｍ（最下位）の位置から上昇するときには、δｚＴｙは単調に減少し、Ｚ方向の４００ｍｍの位置から下降するときには、δｚＴｙは単調に減少する。このように、駆動ベルトが図心から離れると、上昇時と下降時でδｚＴｙの変化が異なるヒステリシスが発生する。したがって、低いＺ位置では差がないが、高いＺ位置では、上昇して位置した場合と、下降して位置した場合で差があり、測定誤差を生じる。
【００３７】
図１０は、別の参考例におけるキャリッジ５０のＺ方向の位置が変化した場合のＹ軸方向の誤差δｚＴｙの変化を示す図である。この別の参考例は、図１に示したように、駆動ベルトを使用せずに、Ｚコラム４１上にＺ軸レール４２Ａおよび４２Ｂを設け、Ｚ移動部（キャリッジ）５０をボールネジで駆動して移動させる構成を有する。図８と同様に、図１０の（Ａ）はボールネジにかかる力を、図１０の（Ｂ）はＺ移動位置における応力ＭｂとＭｄの和を、上昇時と下降時について示した図である。
【００３８】
図１０の（Ａ）に示すように、ボールネジの摩擦力を、前述のキャリッジ５０の落下防止のための機構と合わせて、２１ｋｇｆとしている。図１０の（Ｂ）に示すように、キャリッジ５０が上昇するときのδｚＴｙは一定であり、キャリッジ５０が下降するときのδｚＴｙも一定であるが、上昇時と下降時でδｚＴｙの値が異なる。したがって、同一のＺ位置でも上昇して位置した場合と、下降して位置した場合で差があり、測定誤差を生じる。
【００３９】
以上説明したように、リニアガイドでの摩擦やバランスシリンダの摩擦があることにより、駆動プーリー７１と受動プーリー７２の間に発生するテンションが変動しても、Ｚ軸移動機構の支持部材７０にかかる力は常に図心上に加わるので、駆動運転によって支持部材の形状・姿勢は変化せず、かつＺ移動部材５０の姿勢も変動せずに駆動できる。これにより、高精度で低振動の鉛直方向移動装置が低コストで実現できる。この鉛直方向移動装置を三次元座標測定機のＺ軸移動機構に適用すれば、高精度で低振動の三次元座標測定機が低コストで実現できる。
【００４０】
以上、本発明の実施形態を説明したが、各所の変形例が可能であるのはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明は、鉛直方向移動装置、特に三次元座標測定機のＺ軸移動機構に適用可能である。
【符号の説明】
【００４２】
１１    ベース
２１    Ｙコラム
３１    Ｙ移動部
５０    Ｚ移動部（キャリッジ）
７０    支持部材
７１    駆動プーリー
７２    受動プーリー
７３    オープン駆動ベルト
７４    バランスシリンダ
７５    シリンダキャリッジ
【図１】
2013221825.tif 000003
【図２】
2013221825.tif 000004
【図３】
2013221825.tif 000005
【図４】
2013221825.tif 000006
【図５】
2013221825.tif 000007
【図６】
2013221825.tif 000008
【図７】
2013221825.tif 000009
【図８】
2013221825.tif 000010
【図９】
2013221825.tif 000011
【図１０】
2013221825.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成24年8月13日(2012.8.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2013221825.tif 000013
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１０】
2013221825.tif 000014